稀土掺杂DyFeO3的制备与性能研究+文献综述(3)
图1.1钙钛矿晶体 ReFeO3的结构
1.2 DyFeO3的性能
1.2.1 DyFeO3的磁性与铁电性能
钙钛矿结构的稀土正铁氧体系 ReFeO3（Re=稀土元素）属于被广泛研究的过渡金属氧化物家族。稀土正铁氧体的磁性质之所以让研究人员感兴趣是因为有两个不同的磁离子：Fe3+ 和 Re3+。Fe-Fe，Re-Fe，Re-Re 的相互作用以及之间的竞争导致了很多有趣的物理想象。在高温区，ReFeO3 体系的磁性质主要依赖于Fe-Fe 的相互作用，其在620~740K 的奈尔温度范围内表现为反铁磁有序。
钙钛矿结构DyFeO3 在奈尔温度645 K (TN ) 以下时， Fe3+ 离子磁晶格在a方向呈 G 型反铁磁结构，同时，由于Dzyaloshinsky-Moriya(D-M) 相互作用在b方向和c方向分别构成 A 型反铁磁和由于a方向呈G型反铁磁的倾角导致的F型弱铁磁(WFM)，即DyFeO3体系在室温时的磁结构为{GxAyFz}。当温度降低到37 K附近时，Fe3+ 离子的G 型反铁磁有序排列由a方向转至b方向，体系的磁结构变为{AxGyCz}， Fe3+ 离子磁晶格在37 K 附近的这种变化称为自旋重取向相变，发生磁相变的温度称为自旋重取向相变温度(TSR)。研究表明，对于大多数ReFeO3体系，比如DyFeO3，HoFeO3，ErFeO3 等其他稀土铁氧化物，其Fe3+ 离子的自旋重取向一般是由{GxAyFz} 到{FxCyGz}，这是F型铁磁有序排列的重取向，属二级磁相变。但是，DyFeO3 体系比较特殊，从高温向低温发生自旋重取向相变时，其弱铁磁相消失，属于一级磁相变。
图1.2（a）是DyFeO3粉体磁化率随温度的变化，可以清楚的看出，在80 K-40 K的温度范围内发生了上述所提到的自旋重取向现象，磁矩急剧下降。在自旋重取向过程中，铁磁性的逐渐消失，造成了磁矩的不断下降。随着温度的不断下降，由于Dy的有序性不断增强，造成磁矩的再一次不断增强，在Dy的奈尔温度附近磁矩达到最大值，随后磁矩又开始不断下降，这主要是由于Dy3+与Fe3+之间的反铁磁耦合造成的。
DyFeO3是ReFeO3体系中最早被报道具有多铁效应的材料之一。图1.2（b）则显示了在不加磁场条件下，DyFeO3在自旋重取向温度附近可以观察到极化强度，这充分表明弱铁磁性是DyFeO3产生铁电极化的前提。多铁材料，特别是磁电材料，不仅同时具有铁电、铁磁等多种有序共存，而且通过磁电耦合作用，使其具备了一系列新颖的物理效应，这大大拓宽了铁性材料的应用范围，使其在高密度、低功耗、非挥发新型多态存储器件及新颖自旋电子等方面具有非常诱人的应用前景。[12]
图1.2（a）DyFeO3磁化率随温度的变化；（b）DyFeO3极化强度随随温度的变化
1.2.2 DyFeO3的气敏性能
DyFeO3具有半导体特性，已有文献报道它对多种气体特别敏感。不同工作温度时，DyFeO3基气敏元件对体积分数为50×10-6的 H2S， CO，H2，C2H5OH 等还原性气体的灵敏度大小，如图1.3所示。元件在340℃时对 H2S 的灵敏度最大，为元件的最佳工作温度区。DyFeO3气敏元件之所以有这样的特性，这与元件材料本身的半导体特征及H2S的性质密不可分。由于DyFeO3为钙钛矿结构，在高温煅烧的过程中，失去了位于晶胞顶点上的镝原子，造成了镝空位，DyFeO3的导电性也正是由于镝空位的电离产生的。∨×Dy→∨Dy’’’ + 3h.在低温区，由于体系的能量小于其能带隙Eg，因此显示出低电导性能。升高到一定的温度时，体系所获能量可以克服其禁带能隙，其载流子浓度骤增，电导突然变大，呈现出靠空穴导电的P型半导体特征，因此认DyFeO3为P型半导体。当元件暴露于空气中时，元件表面吸附空气中O2，由于氧的电负性大，能夺取 DyFeO3体内的电子，形成吸附氧 O2n-(ads )状态，使价带中的空穴浓度增加，提高了其有效载流子浓度，所以电阻下降；当还原性气体H2S与元件表面接触时，H2S与吸附在元件表面反应活性较大的吸附氧 O2n-(ads )发生反应：